超大断面隧道工程的长管棚套拱支护施工分析

郝金川

(中铁十八局集团 第四工程有限公司,天津 300350)

在高速公路建设过程中,隧道工程占据了较大比重。因此,对于高速公路建设而言,隧道质量的好坏对交通安全影响非常大。如长江大桥隧道是一座跨越长江的公路和铁路双层桥梁隧道,全长约10.9 km,其中公路隧道长约6.8 km。该隧道于2014年建成通车,是中国首座公路和铁路双层桥梁隧道,也是世界上第一座采用盾构法施工的双层铁路桥梁隧道,此条公路隧道施工中采用盾构开挖法,长管棚套拱支护施工技术,取得了良好的效果,为类似工程提供了参考和借鉴。在不同地质条件下,适用的支护技术和支护参数也存在较大差异。随着隧道工程建设的不断发展,对隧道施工技术的要求也逐步提高。营盘梁隧道地质条件复杂,支护施工难度大,常规的锚杆支护措施难以满足稳定围岩的要求。尤其在实际施工中,经常会遇到一些特殊的地质条件,使得长管棚套拱支护施工难度倍增,如在导向墙施工中会受到地下水的影响,此外,在成拱混凝土浇筑中,可能会引起边坡失稳问题。因此,在具体施工中需结合工程特点,制定科学合理的施工方案和技术措施,以保证施工质量。

1 工程概述

1.1 隧道简述

营盘梁隧道是成德大道德罗项目示范段工程重要组成部分,位于德阳市罗江区白马关镇凤雏村。隧道左线进洞口桩号ZK16+984,路面设计高程566.931 m;右线进洞口桩号K16+967,路面设计高程567.097 m。隧道左线出洞口桩号ZK17+481,路面设计高程556.402 m;右线出洞口桩号K17+486,路面设计高程555.623 m。主线断面净宽17.25 m,净高5.0 m。根据隧道规则及相关工程经验,将左右洞路基设计线间距L=24 m作为小净距与分离式的分界点。隧道左线ZK17+231—ZK17+481、右线K17+236—K17+486为小净距段。

1.2 周围环境

营盘梁隧道左右线围岩综合评定围岩级别为Ⅳ、Ⅴ级,地下水主要为基岩裂隙水,水量少。安略线(220 kV)电塔位于营盘梁隧道左洞洞顶正上方,里程为ZK17+200,隧道顶与地面距离为51 m。营盘梁隧道与兰成渝石油管线平行,两者最小距离约90 m。隧道与安略线及兰成渝石油管线平面位置关系如图1所示。

图1 隧道与兰成渝石油管线平面位置关系

1.3 地质特征

隧道进、出口山坡坡面呈直线型,地形坡度一般为25°～40°。大部分地段基岩裸露或者浅埋,植被较发育。经对场地内及邻近基岩进行露头调查,可知层间裂隙裂面平直,结合差,属硬性结构面。隧址区不良地质主要表现为强风化岩体较破碎,岩石风化碎落,裂隙发育,岩体呈碎裂结构。

由于本工程所处位置的地质条件比较复杂,在应用长管棚套拱进行支护施工时主要有3个难点。1) 导向墙施工是长管棚套拱支护施工的前提条件。若导向墙定位不够准确,或者缺乏足够的稳定性,会影响到后续长管棚套拱支护施工的效果。本工程地质水文条件复杂,使得导向墙施工成为了一大难点。2) 由于隧道工程采用了全断面开挖,一次浇筑成拱的方法,在进行混凝土浇筑施工中,洞口两侧边坡可能会出现失稳现象。因此,如何有效保证边坡稳定也是本工程施工的主要难点。3) 复杂的工程围岩条件,使得长管棚套拱支护施工需要考虑的因素较多,且隧道施工空间有限。因此,如何有效保证长管棚套拱支护施工中各道工序能够准确、有效地落到实处,也是本工程长管棚套拱支护施工的主要难点之一。

2 长管棚套拱支护施工要点分析

2.1 导向墙施工

图2 隧道洞口导向墙及大管棚纵断面图(单位:mm)

本工程长管棚套拱布设在距离洞口明暗洞交界位置,套拱紧贴新鲜岩面,导向钢管布设施工中必须严格按照要求设计外插角,并与环向间距接长到岩面上[1]。与此同时,套拱底部需要通过石渣土进行分层回填并进行压实,作为临时胎架以及管棚钻孔施工作业平台的搭设基础,在具体施工中还可确保导向墙施工的稳定性。

2.2 套拱施工

2.2.1 测量放线

测量放线首先放出套拱基础开挖位置及高程。开挖完毕后对套拱基础的位置、每榀钢拱架内拱脚位置、中点以及高程进行精确测量。如钢拱架拱脚超挖,采用1.5 cm×30 cm×40 cm(长×宽×高) 的钢板调整至设计高程;如超挖过大,采用浆砌片石进行调整,浆砌片石尺寸在套拱尺寸的基础上增大10 cm。

2.2.2 钢拱架安装

2.2.3 导向管安装

2.2.4 模板安装

钢拱架及导向管检查合格后,方可进行模板安装。模板采用竹胶板拼装,固定牢靠,内侧采用方木或者钢管作为背模加工成拱形内支撑,间距80～100 cm。钢拱架采用圆木及管架支立在核心土上或坚硬的地基上。导向墙外模采用双钢管对拉螺杆随浇筑随安装,确保振捣密实。 模板拼装完毕后,对模板内净空进行测量检查,合格后进行加固。加固支撑采用工字钢、方木及钢管,支撑必须牢固。

2.2.5 套拱混凝土浇筑

在进行混凝土浇筑施工中,为控制应力变形,要尽量采用两侧对称浇筑的方法。两侧最大混凝土灌注高差不超过1 m,严格遵循缓慢、对称的原则。边浇筑混凝土,边进行振捣,严控振捣质量,严禁过振捣、漏振捣问题,以提升混凝土的密实度,形成表面光滑,无蜂窝麻面的混凝土。待混凝土初凝完成后,及时在其上覆盖一层土工布进行洒水养护,控制养护时间不低于14 d[2]。套拱混凝土浇筑要以机械浇筑为主、人工配合为辅,利用串筒和溜槽下料,两侧分层对称浇筑。通过插入式振捣棒进行充分振捣,每层浇筑厚度控制在30～40 cm,按顺序振捣,以免发生漏振问题。当混凝土表面出现浮浆后,方可停止振捣。混凝土浇筑全过程都要缓慢进行,并派遣专人负责对模板监控,一旦出现浆液渗漏问题要立即封堵。若出现了严重的模板变形问题,要立即停止浇筑,对模板加固处理后,方可继续浇筑。

2.3 长管棚套拱支护施工

2.3.1 管棚加工

图3 钢管构造

2.3.2 钻 孔

当套拱施工完成后,需等待混凝土达到设计要求强度的90%,方可进行管棚钻孔施工。本工程主要采用履带式潜孔钻机,每个长管棚辅助进洞钻孔103个[4]。长管棚钻孔需要能够和已经设定好导向管同向,精确定位好钻机的位置。通过全站仪在套拱之上放出管棚轴线,通过挂线、钻杆导向相互结合的方法合理调整钻机位置,以保证钻机杆轴线能够和孔口管轴线相互一致。先钻奇数孔,注浆完成后,再进行偶数孔钻孔。

2.3.3 管棚安装

在进行管棚安装施工时,通过钻机将加工好的钢管分段顶进,钢管接头可通过丝扣进行连接,控制连接长度不小于15 cm。其中,编号为奇数的第一节钢管采用3 m钢管,编号为偶数的第一节管采用6 m钢管,此后每节都采用6 m长的钢管,以便更好地达到设计要求。需要注意的是在进行管棚安装施工中,要控制同一个断面内,接头数不能超过50%的接头总数,相邻钢管的接头至少要错开1 m[5]。为最大限度保证钻孔质量,防止钻孔对相邻孔造成影响,在进行管棚施工时需要先对编号为奇数的管棚进行施工,注浆完成后再进行偶数管棚施工。钢管接头通过丝扣管箍,丝扣长度不得小于15 cm,采用外径为114 mm、壁厚为6 mm的套管丝扣进行连接。在进行管棚施工操作时,钻机立轴方向必须进行严格控制。为保证钻孔方向的准确性,需要通过光靶测斜仪对钢管钻进的偏斜度进行分析。若出现偏斜,要及时进行纠正。

2.3.4 安装钢筋笼

本工程钢筋笼由固定环,以及四根直径18 mm的主筋组成,固定环间距控制在150 cm。固定环由直径为42 mm的钢管制作而成,主要安装在长管棚内,进行通长布置[6]。本工程钢筋笼在钢筋加工厂提前预制而成,制作好的钢筋笼运输到施工现场后,通过人工向管内推进安装。钢筋笼在管口位置完成搭接,每一节钢筋笼的长度需要控制在6 m,通过焊接法相互搭接。遇土质软岩时使用钢筋笼,以增加管棚钢管的抗弯能力。钢筋笼结构以及截面如图4,图5所示。

图4 钢筋笼结构示意图

图5 钢筋笼截面示意图

2.3.5 注 浆

当管棚、钢筋笼施工完成后,在钢管中压入纯水泥浆液,水灰比控制在0.6～0.8,注浆压力控制在0.5～1.0 MPa,注浆压力需要逐步升高,达到设计终压要求2.0～2.5 MPa时,持续注浆超过10 min,方可结束注浆[7]。若在注浆施工中出现了不进浆,或者浆液溢出等问题,表明注浆已满。用灌浆机对钢花管进行灌浆,直到水泥浆从排气口流出为止,即为灌浆完毕的标志。注浆完毕后,应将管道中的泥浆清理干净,然后用M30水泥砂浆对管道进行严密的填充,以加强管道的刚性与强度。注浆速率应按注浆孔进水的多少来确定,由快到慢,当注浆结束时,应立即旋紧止浆阀。待水泥浆固化后,将止浆阀拆下,进行清洁、回收[8]。在灌浆作业中,由于压力的突然上升,会造成管道堵塞,必须停车检查;如果注浆进浆量非常大,并且在很长一段时间内,压力都没有上升,此时应调整浆液浓度及配合比,缩短凝胶时间,实行间歇式或低压力注浆,使浆液在裂缝中短暂停留,且停留时间不超过混合浆的凝胶时间,以利于凝固,防止注浆不饱满情况的发生。

3 施工成效

本工程是典型的超大断面隧道工程,所在区域地质水文条件比较复杂,若直接施工,容易出现隧道坍塌等安全问题。基于本工程复杂的地质条件,在施工中采用了长管棚套拱支护施工,先进行套拱施工,再进行长管棚安装施工,取得了良好的施工效果,实现了对隧道破碎围岩、不稳定围岩的有效加固。采用长管棚套拱支护的大断面隧道段和无采用长管棚套拱支护的大断面隧道段收敛变形对比如图6所示。

图6 有无长管棚套拱支护段收敛变形对比图

从图6中能够看出,无管棚洞段的收敛变形较大,最终拱顶沉降约50 mm,而有管棚洞段的收敛变形较小,最终拱顶沉降减少到2 mm,显示管棚的支护效果显著。

4 结 语

针对超大断面隧道工程施工,长管棚套拱施工技术是一种非常有效的隧道施工方法。在当前的超大断面隧道工程项目施工中,由于其施工环境比较恶劣,对施工的要求非常高,因此在实际操作过程中,需结合工程的重难点,把控好各施工细节,先做好导向墙施工,接着把控好套拱及管棚支护、注浆要点,并加强各工序的高效衔接,实现对隧道破碎围岩、不稳定围岩的有效加固,为隧道开挖施工提供了良好的条件。管棚套拱技术在超大断面隧道工程中良好的应用效果,可为类似工程施工提供参考和指导。